JP4066313B2

JP4066313B2 - 多灯圧電インバータ

Info

Publication number: JP4066313B2
Application number: JP2001354789A
Authority: JP
Inventors: 寿一森川; 渡辺　　純一; 昇安倍
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: JP2003157990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電トランスを用いた圧電インバータにより複数の冷陰極管を駆動する多灯圧電インバータに関し、特に液晶バックライトにおいてチラツキを低減したものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に圧電トランスは、１次側電極に共振周波数の交流電圧を印加して共振させることにより機械的振動を起こし、この機械的振動から２次側電極に昇圧した電圧を取り出す素子である。これは電磁トランスと比較して小型化（例えば、長さ３２ｍｍ×幅５．５ｍｍ）や薄型化（厚み１．３ｍｍ）が図れる特徴を有し、液晶による表示装置のバックライト電源などの用途に注目されている。
圧電トランスには固有の共振周波数がある。圧電トランスは圧電振動体に一次と二次の電極を設け、一次側を厚さ方向に分極し、二次側を長さ方向に分極したものである。一次側に長さ寸法で決まる固有共振周波数の電圧を入力すると、逆圧電効果により強い機械振動を起こし、圧電効果によりその振動に見合った高い電圧が二次側から出力される。
圧電トランスは負荷のインピーダンスにより昇圧比が変化する特性がある。また、冷陰極管は放電を開始するために高電圧が必要となる特性がある。この場合、圧電トランスから見たインピーダンスは非常に大きくなる。次に、放電開始して管電流が流れ始めると、冷陰極管のインピーダンスが下がり冷陰極管の電圧が急激に減少するが、ある程度まで電流が流れると電圧の減少がゆるやかになっていく特性がある。
従って、圧電トランスは冷陰極管を負荷とした場合、点灯開始時には高い昇圧比が得られ、管電流が流れて点灯が安定してくると昇圧比が低下していくという、冷陰極管を駆動するのに適した特性を持った素子である。なお、冷陰極管はＣＣＦＬ（ Coｌd-Cathode Fｌuorescent Ｌamp ）とも呼ばれる。
【０００３】
圧電トランスの原理を簡単に説明する。ローゼン型の圧電トランスは例えばジルコン酸チタン酸鉛よりなるセラミックス製の板状圧電セラミックス素子であり、このセラミックス素子の左半分の上下面に例えば銀焼付けなどにより成形された幅広の入力電極の対を形成し、右半分の端面にも同様に例えば銀焼付けなどにより成形された幅狭の出力電極を形成する。そして、圧電セラミックス素子の左半分及び右半分にそれぞれ所定方向に直流電圧を印加して予め分極処理をしておく。ここで左半分は駆動部と称し、右半分を発電部と称し、それぞれは電磁型トランスの１次側、２次側に対応する。
このように形成した圧電トランスにおいて、入力電極側に交流電源よりトランスの長さ方向の固有共振周波数と同じ周波数の交流電圧Ｖｉを印加すると、このトランスはその長さ方向に強い機械振動を生じ、この時、発電部においては圧電効果により電荷が発生し、出力電極と一方の入力電極との間に出力電圧Ｖｏが生ずることになる。出力無負荷時の出力電圧Ｖｏは式（１）で表される。
Ｖｏ＝Ｖｉ・（４／π² ）・Ｑｍ・Ｋ31・Ｋ33・ｌｅ／ｔ …（１）
ここでＱｍ：振動の良好度、Ｋ31：横効果振動の電気機械結合係数、Ｋ33：縦効果振動の電気機械結合係数、ｌｅ：圧電トランスの全長の１／２、ｔ：厚さをそれぞれ示す。なお、この式（１）は例えばＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭｏｎｔｈｌｙ誌１９９９年３月号の第５５頁に記載されている。
すなわち圧電トランスの物性値（Ｑｍ，Ｋ３１，Ｋ３３）、厚さ（ｔ）を一定にすると、変圧比（Ｖｏ／Ｖｉ）は圧電トランスの長さｌｅに比例する。
また圧電トランスの共振周波数（ｆ_λ）は式（２）で表される。
ｆ_λ＝（Ｃ^Ｅ／２）ｌｅ…（２）
ここでは、圧電素子内の音響伝播速度であり、圧電トランスの材質を一定にすれば圧電トランスの共振周波数（ｆ_λ）は圧電トランスの長さｌｅに比例する。
【０００４】
また、１個の圧電トランスで１本の冷陰極管を駆動するものだけでなく、１個の圧電トランスで複数本の冷陰極管を駆動する多灯圧電インバータや、複数個の圧電トランスで複数本の冷陰極管を駆動する多灯圧電インバータが従来から知られている（例えば、特開平１０−２４１８８４号公報、特開平１０−２４７５９３号公報、特開２００１−８５７５９号公報参照）。
【０００５】
図６に示す特開平１０−２４７５９３号公報記載の発明では、複数のインバータ用圧電トランスＰＴ１，ＰＴ２の駆動周波数及び調光周波数を同期させることにより、複数の冷陰極管ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２を効率よくチラツキや可聴音の発生を防止して安定に点灯させる圧電トランスの駆動回路を開示する。回路はマスタブロック（ｍａｓｔｅｒｂｌｏｃｋ）と、それに従属動作するスレーブブロック（ｓｌａｖｅｂｌｏｃｋ）とでなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−２４７５９３号公報記載の発明では、複数のインバータの駆動周波数及び調光周波数を同期させるために、図６に示すようにマスタブロックとスレーブブロックによる複雑な回路構成のインバータとなる課題があった。
かといって、そのような回路構成を回避しようとすれば、電磁トランスと異なり、同じ周波数で動作させる同期運転ができない為、個別の共振周波数で動作させるとき、その差が近いと、ビート周波数でチラツキが発生する課題があった。周波数の差分で発生する輝度のビートがチラツキとなって現れる。
また、トランス自身の長さや厚さ等のバラツキ、陰極管のインピーダンスの変化などによって共振周波数が変動するため、駆動周波数をより細かく制御しなければバラツキに起因して発振周波数が不安定になり易く、常に安定な交流電力を供給できないことからちらつきやビートが発生して放電灯を安定に点灯できない課題もあった。
また液晶ディスプレイのフレーム周波数、表示の同期周波数との干渉による画面ビート、フリッカ等を引き起こす課題もあった。
【０００７】
そこで本発明は、複雑な回路構成（マスター・スレーブ方式）のインバータとなる課題、ビート周波数でチラツキが発生する課題、駆動周波数をより細かく制御しなければバラツキに起因して発振周波数が不安定になり易く、ちらつきやビートが発生して放電灯を安定に点灯できない課題、のうちの少なくとも１つ以上を解決した多灯圧電インバータを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記の手段で構成する。括弧（）内の符号は、添付した図面の符号を参考までに付記した。
〔手段１〕本発明は、複数の冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）を複数の圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）で実質的に同時に駆動する多灯圧電インバータであって、複数の圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）と、該圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の入力電極（ＩＥ１，ＩＥ２）に加わる電圧を周期的に反転させる駆動回路（ＤＲ１，ＤＲ２）とを備え、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の出力を前記冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）に接続し、該冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）の管電流（Ｉ_Ｌ１，Ｉ_Ｌ２）を検出して比較する管電流比較回路（１１，１２）と、該管電流比較回路（１１，１２）の出力により前記駆動回路の駆動周波数を制御する周波数掃引発振器（２１，２２）とを有する多灯圧電インバータにおいて、前記複数の圧電トランスの固有振動周波数をそれぞれ異ならせ、各圧電トランスの固有振動周波数の差が１００Ｈｚ以上とした多灯圧電インバータである。
【０００９】
〔手段２〕
本発明においてより好ましくは、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の物性値（Ｑｍ，Ｋ３１，Ｋ３３）と厚さ（ｔ）を実質的に同一とし、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の長さの差（ｌｅ１−ｌｅ２の絶対値）を０．０５ｍｍ以上とした〔手段１〕記載の多灯圧電インバータである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る多灯圧電インバータは、複数の圧電トランスの固有共振周波数をそれぞれ１００Ｈｚ以上異なるように近接しないようにして、ビート周波数が目で見て分かる周波数にならないように工夫した。圧電トランスの固有共振周波数は、前述の様に、圧電トランスの材質（Ｑｍ，Ｋ３１，Ｋ３３）、厚さ（Ｔ）を一定にすると圧電トランスの長さｌｅに比例する。従って、圧電トランスの長さｌｅをビート周波数（唸り周波数とも呼ばれる）が可聴周波数にならないように組合せることにより、チラツキのない液晶バックライトが得られる。そして、実質的に同時に２個以上の冷陰極管を駆動、点灯することでチラツキを防止する。
【００１１】
圧電トランスの、固有共振周波数の周波数差が、１００Ｈｚ未満の場合には、液晶ディスプレイとの干渉によるビートが発生して画面にチラツキが発生する。１００Ｈｚ以上になると人間の目にはチラツキが分からなくなる。
【００１２】
パーソナルコンピュータに用いられる画像ディスプレイには、様々な同期周波数のものがあり、この同期周波数は一般に表示画面の解像度（画素数）等によって決定され、ＮＴＳＣ（ＮＡＴＩＯＮＡＬＴＥＬＥＶＩＳＯＮＳＹＳＴＥＭＣＯＭＩＴＴＥＥ）方式では２５Ｈｚ程度のものが多い。ＳＶＧＡモードの垂直同期周波数は５０〜７５Ｈｚ程度、ＶＧＡモードでは５０〜８５ｈＺ程度である。同期周波数の基本周波数２５Ｈｚの場合、第２高調波５０Ｈｚ、第３高調波７５Ｈｚを考慮して、固有共振周波数の周波数差を１００Ｈｚ以上とする。周波数の差、５０±１０Ｈｚを避ければ、ヨーロッパ諸国等で使用されているＰＡＬ方式がＳＥＣＡＭ方式のビデオ信号を用いたビデオディスプレイにおけるビデオ信号の垂直同期周波数と該時分割周波数との干渉によるビート不具合の発生を防止できる。
【００１３】
バックライトユニットにおいては、発振回路により約３０ｋＨｚのような周波数を形成して、それを圧電トランスにより４００Ｖrms のような高電圧に昇圧して冷陰極管を放電点灯させる。これに対して、液晶表示パネルには、水平走査信号に同期して表示データがパラレルに入力される。この結果、上記点灯周波数と水平走査周波数の相互干渉によって画面にチラツキが生じてしまうのである。
【００１４】
本発明に係る多灯圧電インバータにおいてビート周波数でチラツキが出ないようにするには、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の材質と厚さを実質的に同一とし、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の長さの差を０．０５ｍｍ以上とすれば良いことが、本発明者の実験で明らかになった。圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の材質と厚さを同一に選んでおいて、複数の圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の長さを切断時に選択することにより、プロセス変更無く、チラツキの無い多灯圧電インバータが得られる。
【００１５】
図１を用いて本発明に係る多灯圧電インバータの１実施例を説明する。冷陰極管の輝度調整や出力の安定化は、出力側から入力側への帰還回路を設け、出力電圧（管電流）または出力電圧を周波数に変換して制御することにより行われている。すなわち、出力電圧の調整、制御は、出力信号を入力側へ帰還させて、入力電圧や圧電トランスの駆動周波数を変化させることにより行われている。図１は、２本の冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）を２個の圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）で駆動する多灯圧電インバータを示す。２個の圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）と、それらの入力電極（ＩＥ１，ＩＥ２）に加わる電圧を周期的に反転させる駆動回路（ＤＲ１，ＤＲ２）とを備え、前記圧電トランス（ＰＴ１，ＰＴ２）の出力を前記冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）に接続し、該冷陰極管（ＣＣＦＬ１，ＣＣＦＬ２）の管電流（Ｉ_Ｌ１，Ｉ_Ｌ２）を検出して比較する管電流比較回路（１１，１２）と、該管電流比較回路（１１，１２）の出力により前記駆動回路の駆動周波数を制御する周波数掃引発振器（２１，２２）とを有する。
【００１６】
本発明に係る多灯圧電インバータは、複数の冷陰極管を複数の圧電トランスで駆動するものなら図１に示す構成に限定されるものではなく、図２（ａ）や図２（ｂ）に示すようにしてもよい。図２（ａ）では圧電トランスＰＴ１とＰＴ２を並列接続し、各々に冷陰極管ＣＣＦＬ１、ＣＣＦＬ２を接続して管電流の検出を抵抗Ｒ１，Ｒ２の電圧降下で行っている。図２（ｂ）では圧電トランスＰＴ１とＰＴ２の出力電圧の位相が１８０度異なるように構成し、2つの冷陰極管ＣＣＦＬ１、ＣＣＦＬ２の負荷変動に対する安定性を安価な回路構成で図っている。
【００１７】
図１、図２を用いて本発明に係る多灯圧電インバータを説明したが、本発明の要点は圧電トランスの長さ異ならせることで、固有共振周波数の周波数差が１００Ｈｚ以上異なるように圧電トランスを組合せたことであるから、駆動回路とその制御回路は従来から用いられてきた多灯圧電インバータ回路がそのまま利用できる。既に多灯圧電インバータ回路は相当部分をＩＣ化されており、例えばモノリシック・パワー・システムズ社の「ＭＰ１０１０を利用したＣＣＦＬインバータの設計」（１９９９年９月発行）などの半導体アプリケーションノート記載の回路が利用できる。
【００１８】
図３に本発明に係る多灯圧電インバータの一例を示す。圧電トランスＰＴ１，ＰＴ２の各々の長さｌｅ１、ｌｅ２は共振周波数の差が１００Ｈｚ以上異なるようにする。この実施例ではインダクタンスＬＥ１１とＬＥ２１、ＬＥ１２とＬＥ２２がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のＯＮ，ＯＦＦに拘わらず常にいずれかが接続されるから、圧電トランスＰＴ１，ＰＴ２の入力電流の高調波成分は少なく、効率が上がる。
【００１９】
図４に圧電トランスＰＴ１（実線），ＰＴ２（破線）の駆動周波数を横軸にとった昇圧比の特性曲線を示す。圧電トランスＰＴ１（実線）とＰＴ２（破線）は材質と厚さを同一とし、長さを変えて共振周波数を各々ｆ_０１，ｆ_０２としたものである。共振周波数の差（ｆ_０２−ｆ_０２）が１００Ｈｚ以上異なるようにすれば、ちらつきの無いバックライトを可能とする多灯圧電インバータが得られる。
【００２０】
図５には共振周波数の差（ｆ_０２−ｆ_０２）が１００Ｈｚ未満の場合にビート周波数（ｆ_０２−ｆ_０２）の唸りが発生し、従来の様にちらつきの有るバックライトとなる。
【００２１】
以上、バックライト用の多灯圧電インバータを例にとって説明してきたが、本発明に係る多灯圧電インバータの用途としては、ノートパソコンのバックライトのみならず、テレビカメラの照明として、あるいは液晶プロジェクターのランプ，液晶テレビやディジタルビデオカメラのバックライト光源としても利用できる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の〔手段１〕や〔手段２〕記載の発明によると、ちらつきやビートを発生せず複数の放電灯を安定に点灯できる多灯圧電インバータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多灯圧電インバータの１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る多灯圧電インバータの他の実施例を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る多灯圧電インバータの１実施例を示す回路図である。
【図４】複数の圧電トランスの昇圧比−周波数特性を示す特性図である。
【図５】ビート周波数の発生を説明する波形図である。
【図６】従来の多灯圧電インバータの１例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１インバータ
２圧電トランス
２ａ１次側電極
２ｂ２次側電極
３冷陰極管
４積分器
５Ｖ−Ｆコンバータ
６周波数掃引発振器
７駆動回路
８負荷電流比較回路
９調光回路
１０支持機構
１１駆動電圧制御回路
１２エンベローブ発生回路
１３三角波発振器
１４比較器
１５比較器
１６分周回路
１７電流−電圧変換回路
１８整流回路
１９比較器
２０比較器
２１積分回路
２２ＶＣＯ
２３積分回路
２４マスタブロック
２５スレーブブロック
２６調光ブロック

Claims

複数の冷陰極管を複数の圧電トランスで実質的に同時に駆動する多灯圧電インバータであって、
複数の圧電トランスと、該圧電トランスの入力電極に加わる電圧を周期的に反転させる駆動回路と、前記圧電トランスの出力電極を冷陰極管に接続し、該冷陰極管の管電流を検出して比較する管電流比較回路と、該管電流比較回路の出力により前記駆動回路の駆動周波数を制御する周波数掃引発振器とを有し、前記複数の圧電トランスはそれぞれ固有振動周波数が異なり、各圧電トランスの固有振動周波数の差が１００Ｈｚ以上であることを特徴とする多灯圧電インバータ。
前記圧電トランスの物性値と厚さを実質的に同一とし、前記圧電トランスの長さの差を０．０５ｍｍ以上とした請求項１記載の多灯圧電インバータ。